1、School of Management, HUSTChap03-1/36CHAP03 計算機網(wǎng)絡 體系結構School of Management, HUSTChap03-2/36本章內容l網(wǎng)絡分層l基本概念l標準化組織lOSI七層模型lOSI七層的功能lOSI七層模型的應用School of Management, HUSTChap03-3/36l網(wǎng)絡的狀況多種通信媒介有線、無線不同種類的設備通用、專用不同的操作系統(tǒng)Unix、Windows不同的應用環(huán)境固定、移動不同種類業(yè)務分時、交互、實時寶貴的投資和積累有形、無形用戶業(yè)務的延續(xù)性不允許出現(xiàn)大的跌宕起伏互相交織，形成了非常復雜的系統(tǒng)應用環(huán)

2、境。網(wǎng)絡的異質性3.1 網(wǎng)絡分層思想School of Management, HUSTChap03-4/36l網(wǎng)絡體系結構就是使這些用不同媒介連接起來的不同設備和網(wǎng)絡系統(tǒng)在不同的應用環(huán)境下實現(xiàn)互操作性，并滿足各種業(yè)務的需求的一種粘合劑，它營造了一種“生存空間”任何廠商的任何產品、以及任何技術只要遵守這個空間的行為規(guī)則，就能夠在其中生存并發(fā)展。l網(wǎng)絡體系結構解決異質性問題采用的是分層方法。l把復雜的網(wǎng)絡互聯(lián)問題劃分為若干個較小的、單一的問題，在不同層上予以解決。l就像編程時把問題分解為很多小的模塊來解決一樣。3.1 網(wǎng)絡分層思想（續(xù)）School of Management, HUSTChap

3、03-5/36l層次結構方法要解決的問題（包括的內容）分層與功能網(wǎng)絡應該具有哪些層次？每一層的功能是什么？服務與接口各層之間的關系是怎樣的？它們如何進行交互？協(xié)議通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？l層次結構方法的優(yōu)點把網(wǎng)絡操作分成復雜性較低的單元，結構清晰，易于實現(xiàn)和維護定義并提供了具有兼容性的標準接口使設計人員能專心設計和開發(fā)所關心的功能模塊獨立性強上層只需了解下層通過層間接口提供什么服務黑箱方法適應性強只要服務和接口不變，層內實現(xiàn)方法可任意改變一個區(qū)域網(wǎng)絡的變化不會影響另外一個區(qū)域的網(wǎng)絡，因此每個區(qū)域的網(wǎng)絡可單獨升級或改造3.1 網(wǎng)絡分層思想（續(xù)）School of Management,

4、 HUSTChap03-6/36l協(xié)議為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換（通信）而建立的規(guī)則、標準或約定。(=語義+語法+規(guī)則) 語法：規(guī)定用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構和格式；語義：規(guī)定需要發(fā)出何種控制信息以及完成的動作與作出的響應；時序：對事件實現(xiàn)順序的詳細說明。l實體任何可以發(fā)送或接收信息的硬件/軟件進程。l對等層兩個不同系統(tǒng)的同名層次。l對等實體位于不同系統(tǒng)的同名層次中的兩個實體。協(xié)議作用在對等實體之間。3.2 基本概念School of Management, HUSTChap03-7/36l接口相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之間的操作及下層對上層的服務。l服務某一層及其以下各層的一種能力，通過

5、接口提供給其相鄰上層。l服務原語是指相鄰層建立較低一層對較高一層提供服務時，二者交互所用的廣義指令.服務原語描述提供的服務，并規(guī)定通過服務存取端口所必須傳遞的信息。一個完整的服務原語包括3個部分原語名字原語類型原語參數(shù). 3.2 基本概念（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-8/36常用4種類型的服務原語：請求原語類型(Request)用以使服務用戶能從服務提供者那里請求一定的服務,比如:建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、拆除連接、報告狀態(tài)等。指示原語類型(Indication)用以使服務提供者能向服務用戶提示某種狀態(tài),如連接指示、輸入數(shù)據(jù)、拆除連接等。響應原語類型(Res

6、ponse)用以使服務用戶能響應先前的指示原語，如接受連接等。證實原語類型(Confirmation)用以使服務提供者能報告先前請求原語請求成功與否。3.2 基本概念（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-9/36l協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。 l在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。l要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務。l本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。l下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。 l協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。l服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層

7、間接口提供的。l同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為服務訪問點 SAP (Service Access Point)。3.2 基本概念（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-10/36協(xié) 議交換原語交換原語服 務 用 戶提 供 服 務服 務 提 供 者第 n 層第 n + 1 層服 務 用 戶SAPSAP3.2 基本概念（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-11/363.2 基本概念（續(xù)）開放系統(tǒng)A（N）層服務用戶（N1）實體（N）實體提供服務交換服務原語（N1）實體（N）實體提供服務交換服務原語開放系統(tǒng)B提供（N）層服務

8、（N）層協(xié)議提供（N-1）層服務通過（N-1）層連接進行通信（N）層服務提供者層間接口層間接口（N1）層（N）層（N-1）層圖3.1 協(xié)議與服務的概念School of Management, HUSTChap03-12/363.3 標準化組織lANSI：美國國家標準協(xié)會 由1000多名來自企業(yè)界和政府的代表組成的組織，負責制訂電子工業(yè)的標準，它代表著美國制訂國際標準不強求企業(yè)遵循其標準，而是請他們自愿遵守其標準企業(yè)可通過遵循標準從而獲得潛在客戶例子：ANSI T1 240-1998，”電信操作、管理、維護、供應，操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡部件之間接口的通用網(wǎng)絡系統(tǒng)信息模型”lEI

9、A：電子工業(yè)聯(lián)盟 商業(yè)組織，其代表來自全美各電子制造公司起源1924RMA（無線電生產廠商協(xié)會）為自己的成員設定標準，幫助ANSI制訂標準，院外游說制訂更有利于計算機和電子工業(yè)發(fā)展的立法下屬組織：TIA電信工業(yè)協(xié)會；CEMA用戶電子生產商協(xié)會；ECA電子部件、組裝、設備于供應協(xié)會；JEDEC聯(lián)合電子設備工程委員會；固態(tài)技術協(xié)會；政府處；EIG電子信息組School of Management, HUSTChap03-13/363.3 標準化組織（續(xù)）lIEEE：電氣與電子工程師協(xié)會 由工程專業(yè)人士組成的國際社團促進計算機科學和電氣工程領域的發(fā)展

10、和教育主辦大量的研討會、會議和本地分會議，發(fā)行刊物以培養(yǎng)技術先進的成員有自己的標準委員會，制訂電子和計算機工業(yè)的標準IEEE的技術論文和標準在網(wǎng)絡界受到高度重視lISO：國際標準化組織 代表了130個國家的標準組織的集體制訂國際標準以促進全球信息交換和無障礙貿易12000個標準中有500個用于計算機領域國際電子和電氣工程標準由IEC（國際電子技術協(xié)會）制訂lITU：國際電信同盟 聯(lián)合國特有的管理國際電信的機構，它管理無線電和電視頻率、衛(wèi)星和電話的規(guī)范、電信基礎設施、全球通信的關稅等為發(fā)展中國家提供技術專家和設備，以提高其技術基礎其前身為CCITT

11、School of Management, HUSTChap03-14/36l20世紀80年代初，ISO開始致力于制訂一套普遍使用的網(wǎng)絡規(guī)范集合，以使全球的計算機平臺可以進行開放式通信，創(chuàng)建了一個有助于開發(fā)和理解計算機的通信模型，即開放式系統(tǒng)互連模型，將網(wǎng)絡結構分為七層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、表示層、會話層、應用層。每一層都有自己的功能集，并與上下相鄰的層交互作用。3.4 OSI七層模型School of Management, HUSTChap03-15/363.4 OSI七層模型（續(xù)）應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層邏輯鏈路控制介質存取控制應用層表示層會話層傳輸

12、層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層系統(tǒng) 1系統(tǒng) 2層次7654321數(shù)據(jù)單位報文報文報文報文分組幀比特應用層協(xié)議表示層協(xié)議會話層協(xié)議傳輸層協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議鏈路層協(xié)議物理層協(xié)議87654312School of Management, HUSTChap03-16/36lOSI七層模型的特點這是一種將異構系統(tǒng)互聯(lián)的分層結構；它提供了控制互聯(lián)系統(tǒng)交互規(guī)則的標準骨架；不同系統(tǒng)上的相同層的實體稱為對等層實體；它定義了一種抽象結構，而不是具體實現(xiàn)的描述；對等層實體之間通信由該層的協(xié)議管理；相鄰層間的接口定義了原語操作和低層向高層提供的服務；直接的數(shù)據(jù)傳送僅僅在最底層實現(xiàn)；每層完成所定義的功能，修改本層的功能并不影響其

13、他層。3.4 OSI七層模型（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-17/36l對等層通信的實質對等層實體之間虛擬通信下層向上層提供服務實際通信在最底層完成lOSI參考模型禁止不同主機的對等層之間的直接通信。l每一層必須依靠相鄰層提供的服務來與另一臺主機的對應層通信。l上層使用下層提供的服務。l下層向上層提供服務。3.4 OSI七層模型（續(xù)）P3P2P1 2 1 3 2 1物理通信線路物理通信線路 3 N+1 N N-1 N+1 N N-1Pn-1PnPn+1消息消息School of Management, HUSTChap03-18/36l數(shù)據(jù)封裝一臺計算機

14、要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一臺計算機，數(shù)據(jù)首先必須打包，打包的過程稱為封裝。封裝就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。OSI參考模型中每一層都要依靠下一層提供的服務。為了提供服務，下層把上層的PDU作為本層的數(shù)據(jù)封裝，然后加入本層的頭部（和尾部）。頭部中含有完成數(shù)據(jù)傳輸所需的控制信息。這樣，數(shù)據(jù)自上而下遞交的過程實際上就是不斷封裝的過程。到達目的地后自下而上遞交的過程就是不斷拆封的過程。由此可知，在物理線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其外面實際上被包封了多層“信封”。但是，某一層只能識別由對等層封裝的“信封”，而對于被封裝在“信封”內部的數(shù)據(jù)僅僅是拆封后將其提交給上層，本層不作任何處理。3.4 OSI七層模型（續(xù)）Scho

15、ol of Management, HUSTChap03-19/363.4 OSI七層模型（續(xù)）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 段頭段頭數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 段頭段頭數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡頭網(wǎng)絡頭幀頭幀頭 段頭段頭數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡頭網(wǎng)絡頭幀尾幀尾數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包幀比特電脈沖011101000011000010100101111010110封裝封裝拆封拆封School of Management, HUSTChap03-20/36lOSI七層的功能概述物理層通過機械或電氣的互聯(lián)方式，把實體連接起來，讓數(shù)據(jù)流通過產生并檢測電壓以便發(fā)送或接受攜帶數(shù)據(jù)的信號設定數(shù)據(jù)傳輸率并監(jiān)測數(shù)據(jù)的出錯率。數(shù)據(jù)鏈路層進行二進制數(shù)據(jù)塊傳送進行差錯檢測進行數(shù)據(jù)流控制；網(wǎng)絡

16、層通過分組交換和路由選擇為傳輸層實體提供端到端的交換網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送功能使得傳輸層擺脫路由選擇、交換方式、擁擠控制等網(wǎng)絡傳輸細節(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸3.5 OSI七層的功能School of Management, HUSTChap03-21/36lOSI七層的功能概述傳輸層提供傳送方式，進行多路復用實現(xiàn)端到端間的數(shù)據(jù)交換，為會話層實體提供透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務；會話層在兩個應用進程間建立和管理不同形式的通信對話；表示層實現(xiàn)不同格式和編碼之間的交換將應用層傳來的指令翻譯成網(wǎng)絡上能識別的格式管理數(shù)據(jù)的加密和解密；應用層提供用戶服務對軟件提供接口以使用戶能使用網(wǎng)絡的功能，不是指運行在網(wǎng)絡上的一個特別應用

17、程序，它提供包括文件傳輸、文件管理和電子郵件的信息處理管理功能。3.5 OSI七層的功能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-22/363.5 OSI七層的功能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-23/36l物理層實現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。定義了激活、維護和關閉終端用戶之間機械的、電氣的、過程的和功能的特性。物理層的特性包括：機械特性：物理連接器的尺寸、形狀、規(guī)格電氣特性：信號電平，脈沖寬度，頻率，數(shù)據(jù)傳送速率，最大傳送距離等功能特性：接口引腳的功能作用規(guī)程特性：信號時序，應答關系，操作過程3.5 OSI七層的功

18、能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-24/36l數(shù)據(jù)鏈路層在物理線路上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使之對網(wǎng)絡層呈現(xiàn)為一條無錯的線路。所關心的問題包括：物理地址、網(wǎng)絡拓撲；組幀：把數(shù)據(jù)封裝在幀中,按順序傳送,并處理返回的確認幀；定界與同步：產生/識別幀邊界；差錯恢復：采用重傳（ARQ）的方法；流量控制：收發(fā)雙方傳輸速率的匹配。劃分為邏輯鏈路控制(Logical Link Control, LLC)和介質訪問控制子層(Media Access Control，MAC)兩個子層，由MAC子層解決介質訪問控制問題。網(wǎng)絡中的每臺主機都必須有一個48位(6Byte)的全局地址

19、，它是該主機在全球范圍的唯一標識符，與其物理位置無關。該全局地址稱為MAC地址，也稱為物理地址，通常固化在網(wǎng)卡上。當一臺計算機插上一塊網(wǎng)卡后，該計算機的物理地址就是該網(wǎng)卡的MAC地址。如：02 60 8C 67 05 A23.5 OSI七層的功能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-25/36l網(wǎng)絡層在源端與目的端之間建立、維護、終止網(wǎng)絡的連接。功能和服務最佳路由選擇和數(shù)據(jù)包中轉流量控制和擁塞控制差錯檢測與恢復流量統(tǒng)計和記賬路由選擇如何在多條通信路徑中找一條最佳路徑？ 依據(jù)：速度,距離(步跳數(shù)),價格,擁塞程度路由器路由表建立與維護u靜態(tài)：人工設置，只適用于小

20、型網(wǎng)絡u動態(tài)：運行過程中根據(jù)網(wǎng)絡情況自動地動態(tài)維護路由算法u距離向量算法：RIP、CGP等u鏈路狀態(tài)算法：OSPF等3.5 OSI七層的功能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-26/36l傳輸層為源端主機到目的端主機提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務；屏蔽各類通信子網(wǎng)的差異，使上層不受通信子網(wǎng)技術變化的影響。進行數(shù)據(jù)分段并組裝成報文流；提供“面向連接”（虛電路）和“無連接”（數(shù)據(jù)報）兩種服務；傳輸差錯校驗與恢復；信息流控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過載。傳輸層位于資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的交界處，起著承上啟下的作用。與網(wǎng)絡層的部分服務有重疊交叉。如何平衡取決于兩者的功能劃分。真正意義上的

21、從源到目標實現(xiàn)“端到端”連接的層。3.5 OSI七層的功能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-27/36l會話層建立、管理和中止不同機器上的應用程序之間的會話。同步（解決失敗后從哪里重新開始）活動管理，保證活動的完整性和正確性。l表示層處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，即信息的語法和語義。如有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進行轉換。l應用層為用戶的應用程序提供網(wǎng)絡通信服務 識別并證實目的通信方的可用性使協(xié)同工作的應用程序之間進行同步判斷是否為通信過程申請了足夠的資源3.5 OSI七層的功能（續(xù)）School of Management, HUSTChap03-28/36l以接收郵件為例：啟動outlook，打開收件箱進行郵件接收，即應用層向網(wǎng)絡發(fā)出申請表示層將申請進行格式化、加密，變成網(wǎng)絡可以識別的指令，傳輸給會話層會話層給已經(jīng)格式化的指令加上一個標識，管理該指令的運行過程傳輸層對指令進行分割處理，分解成小的數(shù)據(jù)塊，并指令上加上校驗數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層對分組加上邏輯地址，進行路由選擇數(shù)據(jù)鏈路層對分組進行細分，得到幀，在幀中加上物理地址物理層對幀不作任何